UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA
ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE OPERACIÓN PARA LA DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE AGUA DEL ACEITE ESENCIAL DE MOLLE (Schinus molle Linneo) EN EL EQUIPO MODULAR DE EXTRACCIÓN .DE ACEITES ESENCIALES DE LA FIQM •
UNSCH
Trabajo de Tesis presentada ante la Universidad Nacional San Cristóbal de Huamanga como requisito para obtener el título de:
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTADO POR: Bach. Edgar Marcial CÁRDENAS LÓPEZ
AYACUCHO- PERÚ
DETERMINACIÓN DE
PARÁMETROS DE OPERACIÓN
PARA LA
DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE AGUA DEL ACEITE
ESENCIAL DE MOLLE
(Schinus molle Unneo)EN EL EQUIPO MODULAR DE
EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES DE LA FIQM - UNSCH
Bach. Edgar Marcial CÁRDENAS LÓPEZ
Asesor:
Mg. Arias Jara, Alfredo
Docente de Departamento Académico De Ingeniería Química- UNSCH
P.ste tra6ajo va dedicado a fos jóvenes y microempresas que quieran apostar por .Jlyacucfio, desarro([antfo {a industria de aceite esencia{ de mo{{e
y de este moáo lia6ré fograio con uno de fos fines de fa Vniversidad
con {a socieááá.
AGRADECIMIENTO
Expreso mi deuda al Mg. Alfredo Arias Jara, por su orientación y útiles sugerencias para el desarrollo de este trabajo de investigación. También agradezco al lng. Tineo Morote Alejandro por su colaboración, al personal del taller electromecánico "Holger K. Hansen" de la Facultad de Ingeniería Química y Metalurgia por su apoyo brindado.
Bach. Edgar M. Cárdenas López
V
CONTENIDO
AGRADECIMIENTO ... IV
ÍNDICE ... V
SIMBOLOGÍA .. . . .. .. . .. . . .. .. . . .. .. . . .. .. . . .. .. .. .. .. . .. .. .. . . .. . .. .. . . . .. . .. .. .. . .. . . . .. . .. . .. . .. . . .. • . . X
RESUMEN ... XI
INTRODUCCIÓN ... XII
CAPÍTULO!
GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES ... 1
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .. . .. • .. • .. . .. . . .. . .. • .. . . .. .... . . . .. • .. . .. . . . • .. .. • . . • . . . .. .. . .. . .. 3
1.3 OBJETIVOS ... S 1.4 IMPORTANCIA ... S 1.5 JUSTIFICACIONES ... 6
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 ESTUDIO DE MOLLE 2.1.1 ORIGEN Y DISTRIBUCIÓN ... 7
2.1.2 DESCRIPCIÓN Y CARACTER[STICAS DEL MOLLE . . . .. . .. . .. . . .. .. . .. . . .. . . . .. . . .. .. . .. . . . .. . 8
2.1.2.1 FORMA ... 8
2.1.2.2 COPA/ HOJAS .. . .. . .. . .. . .. • .. . .. . .. . .. . . .. . . .. . .. . . .. .. . .. . . .. . .. .. .. . . . .. . .. .. . . 8
2.1.2.3 FLORES ... 9
2.1.2.4 FRUTOS ... ... ... ... ... ... ... ... ... •.. ... ... . .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 9
2.1.2.5 SEMILLAS ... 10
2.1.3 CLASIFICACIÓN BOTÁNICA ... 11
2.2 ACEITE ESENCIAL
2.2.1 DEFINICIÓN DE ACEITE ESENCIAL ...•... 12
2.2.2 DISTRIBUCIÓN Y ESTADO NATURAL DE ACEITES ESENCIALES . . . 14
2.2.3 LAS FUENTES ESPECÍFICAS DE ACEITES ESENCIALES . . • .. . . • . . . . • . . . • . . • . . . . 16
2.2.4 CONSTITUYENTES DE ACEITE ESENCIAL ... 17
2.2.5 PROPIEDADES FISICOQUÍMICOS DE LOS ACEITES ESENCIALES .•... 18
2.2.6 PRUEBAS FÍSICO-QUÍMICAS PARA CARACTERIZACIÓN DE ACEITES ESENCIALES ...•. 19
2.3 ACEITE ESENCIAL DE MOLLE 2.3.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE ....•.•..•... 20
2.3.2 APLICACIONES POTENCIALES DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE ...•... 21
2.4 DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA 2.4.1 DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA ...•...•... 22
2-4-2 DESVENTAJAS Y VENTAJAS DE DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA FRENTE A OTRAS TÉCNICAS DE EXTRACCIÓN ...•...•...•...•... 23
2.5 PROCESOS FISICOQUÍMICOS EN LA DESTILACIÓN CON VAPOR 2.5.1 HIDRODIFUSIÓN ...•..•...••...•... 25
2.5.2 HIDRÓLISIS ...•...•..•...•... 26
2.5.3 DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA ...•...•... 27
2.6 TIPOS DE DESTILACIÓN CON VAPOR 2.6.1 HIDRODESTILACIÓN .••...•....•...•... 28
2.6.2 DESTILACIÓN CON VAPOR HÚMEDO (AGUA-VAPOR) .. . ... ... . .. . . .. •.. .•• . . . ... ... . .. .. . . 30
2.6.3 LA DESTILACIÓN CON VAPOR SECO (INYECCIÓN DE VAPOR) . .. . . . ... ... ... .. . . .. ... . . .. 33
2.7 MÉTODO DE EXTRACCIÓN POR DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR SECO 2.7.1 PRINCIPIO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR SECO . . . .. ... . .. . . 34
2.7.2 MECANISMO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE ESENCIAL ..• • . . . . • .. . ..• . . . . .. . . .•. •. . .. . . 36
2.7.2.1 LIBERACIÓN DEL ACEITE ESENCIAL ( OIL RELEAS E) . .. ... .. . . .• ... . . . ... .. . . .. . 36
2.7.2.2 VAPORIZACIÓN ...•...•..•... 38
2.7.2.3 TRANSFERENCIA DE MASA ... . . . ... . . . ... ... ... ... . . ... ... . . . •.. . . . .. .. . ... .. . . 39
2.7.2-4 CONDENSACIÓN DEL DESTILADO ... . . .. ... ... . . . .. . .. . ... ... .• .. . •.. ... . . . .. . 40
2.7.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EXTRACCIÓN •...•...•.••...•...•. 40
2.7.4 DESCRIPCIÓN DE OPERACIÓN DE EXTRACCIÓN DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE . . . .. . . 42
CAPÍTULO III ASPECTO EXPERIMENTAL 3.1 LUGAR DE INVESTIGACIÓN .• • . . . • . . . • . • . . .• . . . • . . . 43
3.2 MATERIALES Y EQUIPOS . . . • . . • • . . . • . . . .• • . . 44
3.3 MATERIA PRIMA 3·3·1 DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA PRIMA ...•...•...•...••... 45
3.3.2 PREPARACIÓN PRELIMINAR DE LA MATERIA PRIMA ...•..•... 45
3.3.2.1 LIMPIEZA DE SEMILLAS DE MOLLE ..•...••....•... 45
3.3.2.2 DESAZUCARADO Y SECADO DE SEMILLA DE MOLLE ...••...•...•... 46
3.3.2.3 HOMOGENIZADO DE MUESTRA EXPERIMENTAL ...•..•...•.. 47
3.3.2.4 PESADO Y CODIFICACIÓN DE MUESTRA EXPERIMENTAL . . . • . . . • . . . 47
3.3.2.5 MOLIENDA DE SEMILLAS DE MOLLE .•...•••....•...•...•...•.. 48
3.3.2.6 DIAGRAMA DE FLUJO DE ?RE-TRATAMIENTO DE MUESTRA EXPERIMENTAL 49 3·3·3 ANÁLISIS FÍSICO DE LA MUESTRA . . • . . . • . . . • • • . . • . .. • . . . • . . 50
3·3·3·1 COMPOSICIÓN FÍSICA DE LA MUESTRA ...•..•... 50
3·3·3·2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LAS SEMILLAS DE MOLLE ENTERAS ...•..•... 51
3·3·3·3 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LAS SEMILLAS DE MOLLE MOLIDAS •.•.•....•••... 52
3·3·3·4 DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD DE LA MUESTRA MOLIDA ...•...•... 59
3.4 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO MODULAR DE EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES 3-4-1 GENERADOR DE VAPOR DE AGUA . . . • • . . . .• . • • . • . . . . • • . . . • . . . • 61
3·4·2 RECIPIENTE DESTILADOR . . • • . . . • . . . • • . . . .. . . 63
3·4·3 CONDENSADOR . . . . .. ... . .. . . . ••• . . . • . . ... . .. . . ... .•• • .• ••• . . . •.. ... ... .. . .•. . . . .. .. .. . .. . . . 63
3·4·4 FLORENTINO SEPARADOR DE FASES . .. . . . .• . .. . . .. . ..• •.. . .. . . . .. . .. . . .• .•. . . . .• . . . .. . .•. 64
3·4·5 SUMINISTRO DE SERVICIOS . . . ••• •.• . . . .. . .. . . •. . . . .• . . . . •.. •.. . . •.• ..• .. ... .. . . .. .• ... 65
3.4.6 SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO . . . • . . . • . . . • • . . . .. • . . . • . 65
3.5 OPERACIÓN DEL EQUIPO DE EXTRACCIÓN
3·5·1 PUESTA EN MARCHA DE GENERADOR DE VAPOR ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 66 3·5·2 PUESTA EN MARCHA DE UNIDAD DE EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES .. . .. . .. . .... . .. 68
3.6 EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL EQUIPO MODULAR
3.6.1 EVALUACIÓN DE FLUJO NETO DE VAPOR GENERADO .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. • .. . .. . .. .. .. . .. . 69 3.6.2 CONVERSIÓN DE LECTURA DE FLUJO DE VAPOR EN FLUJO MÁSICO .. . .. . .. .. . .. . .... .. . .. . .. 73 3.6.3 EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS DE FLUJO Y ENERGÍA TÉRMICA DE VAPOR DE AGUA
EN COLUMNA DE EXTRACTOR SIN .AISLAMIENTO ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 77
3.6.4 EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS DE FLUJO Y ENERGÍA TÉRMICA DE VAPOR DE AGUA
EN COLUMNA DE EXTRACTOR CON AISLAMIENTO .. .. . .. . .. . .. . .. . .. . ... .. . ... .. . .. . .. .. . 79 3.6.5 DETERMINACIÓN DE VOLUMEN ÚTIL DEL RECIPIENTE DEL DESTILADOR PILOTO
ACEITES ESENCIALES
3.7 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN
3.8 DISEÑO EXPERIMENTAL DE EVALUACIÓN DE VARIABLES DE OPERACIÓN ··· ··· ,
CAPÍTULO IV
RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN
4.1 EVALUACIÓN DE VARIABLES DE OPERACIÓN
4.1.1 EFECTO DE ADECUADA PREPARACIÓN DE LA SEMILLA DE MOLLE
4.1.2 EFECTO DE FLUJO DE VAPOR DE AGUA ... : ... . 4.1.3 EFECTO DE TAMAÑO DE LA PARTÍCULA ... .
4.1.4 EFECTO DE ALTURA DE CARGA DE LECHO
81
82
83
85 88 98 105
4.1.5 TIEMPO ÓPTIMO DE EXTRACCIÓN... 110
4.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL DISEÑO EXPERIMENTAL .. . .. . .. . .. . ... .. . ... .. . .. . .. . .. .. .. .. . .. . .. 111
4.3 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. .. . .. . .. .. .. . 120 4.3.1 BALANCE DE ENERGÍA EN EL CONDENSADOR ... ... .. . .. . ... .. . .. . ... ... .. . ... .. . .. . .. . ... ... 120 4.3.2 BALANCE DE MATERIA EN LA COLUMNA DE EXTRACCIÓN ... ... ... ... .. . .. .. . .. . .. . .. . .. .. .. 124
IX
4.4 BALANCE DE ENERGÍA MECÁNICA EN LECHO RELLENO DE SEMILLAS DE MOLLE ... .. . ... ... 131
4.5 CÁLCULO DE FLUJO DE INYECCIÓN DE VAPOR DE AGUA PARA LA PRODUCCIÓN
INDUSTRIAL DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE ... . . .. . ... .. .. .. . . .. ... ... . . . ... ... . . 134
4.6 CINÉTICA DE EXTRACCIÓN DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE 137
CONCLUSIONES 139
RECOMENDACIONES ... 141
BIBLIOGRAFÍA 142
SIMBOLOGÍA
Papar Pverd.
dp
( 1
X¡
y¡
yf
Coeficiente de correlación de transferencia de masa
Densidad aparente
Densidad verdadera
Diámetro de partícula
Fugacidad estándar de componente i puro
Flujo másico
Fracción molar de componente i - interfase líquido
Fracción molar de componente í - interfase vapor
Fracción molar de componente i en flujo global de vapor de agua
M1
yM2
Granulometría de semillas de molle molidas01, 02, Q3 y 04 Niveles de flujo másico de vapor de agua inyectado al lecho
h1 y h2 Niveles de altura de carga de lecho de semillas de molle
L Moles total de líquido en el destilado
p Presión
% apert
S
Presión de vapor de componente i
Presión de vapor de agua
Porcentaje de apertura de válvula de control de vapor de agua
Porosidad de lecho
Superficie de transferencia de contacto entre el poro de lecho y flujo de
vapor de agua
RESUMEN
La extracción de aceite esencial de molle a partir de su semilla, se llevó a cabo utilizando el método de arrastre con vapor de agua. La extracción se realizó empleando el equipo modular de extracción de aceites esenciales en la planta piloto de Transferencia de Masa de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga.
Para el estudio de los efectos de las variables de operación de extracción de aceite de molle a partir de su semilla se ha seguido un diseño experimental de tres factores: 1) Caudal de flujo de vapor de agua inyectado, en cuatro niveles 2) Altura de carga de lecho, en dos niveles 3) Grado de molturación de la semilla de molle, en dos niveles; determinándose el tiempo óptimo de extracción. En cada uno de las combinaciones factoriales se hace un análisis exhaustivo e interpretación individual de los resultados experimentales.
Las variables óptimas para la extracción del aceite esencial de molle por arrastre con vapor de agua a nivel planta piloto para un lote 20.00 kg/batch son: flujo másico de vapor de agua mayor a 5.51 kg/h, tamafio de partícula 1.73 mm equivalente a diámetro promedio de semilla y altura de carga de lecho equivalente a dos veces el diámetro de columna del extractor (0.54 m, columna vertical). Finalmente se presenta ecuaciones modelo para calcular el flujo másico de vapor de agua necesario bajo condiciones industriales.
INTRODUCCIÓN
El crecimiento del mercado mundial de aceites esenciales y aplicaciones en numerosas industrias por mencionar algunas como: industria cosmética, farmacéutica, industria de productos de limpieza, industria de plaguicidas; exige una continua renovación de la tecnología empleada para obtener estos productos. A su vez, incentiva la· optimización de los equipos empleados en la extracción de aceites esenciales con la finalidad de aumentar su rentabilidad y eficiencia.
En la actualidad la extracción de aceite esencial de molle se realiza comúnmente por destilación por arrastre con vapor de agua, que es un proceso conocido y difundido mundialmente a diferencia de técnicas recientes como la extracción mediante fluidos supercríticos. Sin embargo, existen escasos estudios sistemáticos que permitan conocer los parámetros del proceso de extracción de aceite esencial de molle por arrastre con vapor de agua con los propósitos de controlarlo y optimizarlo.
Ante los grandes problemas ambientales que afecta nuestro planeta, hoy la sociedad valora más los productos hechos de recursos naturales y procesados por medio de tecnologías amistosas con el medio ambiente (green processes), una de estas operaciones unitarias es la destilación por arrastre con vapor. Por esas razones el propósito de esta tesis es presentar la técnica de destilación de aceite esencial de molle (a partir de la pepa) por arrastre con vapor de agua desde punto de vista de ingeniería que no están cubiertos en libros tradicionales de operaciones unitarias. Por consiguiente, se desarrollará la tecnología de extracción de aceite esencial de molle para el mejor conocimiento de parámetros de operación que se requiere para un buen diseño a escala industrial a fin de que se pueda obtener un producto de buena calidad y con bajo costo de operación. En el capítulo 2 de la tesis se estudian aspectos generales de la planta del molle y se presentan algunas definiciones básicas de aceites esenciales. La destilación por arrastre con vapor de agua se trata en un punto aparte para describir detalladamente
la ley que gobierna el proceso de extracción y los fenómenos que ocurren desde el inicio hasta el final de la destilación. En el capítulo 3, se caracteriza a la materia prima (semilla de molle) a emplearse antes y después de la molienda, se realiza la evaluación preliminar del equipo piloto de extracción de aceites esenciales y se detalla la metodología de investigación. En el capítulo 4, se realiza la evaluación de variables de operación como: altura de carga, densidad de lecho, flujo de vapor de agua inyectado al lecho, grado de molienda y se discute los resultados experimentales sobre la preparación de la materia prima y la influencia de los parámetros de operación sobre el rendimiento. Y finalmente se toca aspectos de balance de materia y energía y cálculo de inyección de flujo de vapor de agua a nivel industrial en base a los resultados obtenidos a nivel planta piloto.
CAPÍTULO
1
GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
Se han publicado diversos estudios de técnicas de extracción de aceites esenciales; sin embargo, casi no existe estudios suficientes que permitan conocer los fenómenos controlantes y los efectos de las variables sobre el rendimiento que puedan servir para los propósitos de simulación y optimización eficientemente de la extracción de aceite esencial de molle por destilación por arrastre con vapor de agua. Entre tantos trabajos sobre el aceite esencial de molle destacan los siguientes:
A nivel Local
- Quispe Torres, Walter "ESTUDIO QUÍMICO DEL ACEITE ESENCIAL DEL FRUTO DE MOLLE (shinus molle)"- Tesis de la FIQM-UNSCH.
- Risco Mendoza M. Y Tello Bautista V. "ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA INSTALACIÓN DE UNA PLANTA DE EXTRACCIÓN DE ACEITE
ESENCIAL DE MOLLE (shinus molle) EN EL DEPARTAMENTO DE
A YACUCHO" - Tesis de la FIQM-UNSCH.
Se centra en el estudio de la materia prima y la viabilidad económica del proyecto de instalación de Planta. Describe a grandes rasgos la técnica de extracción de aceite esencial de molle dejando de lado el estudio del efecto de las variables de operación sobre el rendimiento. Realiza el diseño de un equipo de destilación convencional sin considerar los efectos de caudal de vapor, efecto de porosidad y altura de carga de lecho.
A nivel Nacional
- MSc. Rubén A. Palomino Infante "EXTRACCIÓN DE ACEITE DE MOLLE
MEDIANTE FLillDOS SUPERCRÍTICOS (COz)". Instituto De Investigación De Ingeniería Química- UNMSM.
Aprovecha las propiedades fisicoquímicas de COz en su punto crítico, temperatura
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
1.2.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
No están claramente establecidos los parámetros de operación para la destilación por arrastre con vapor de agua del aceite esencial de molle (Schinus molle Linneo) en el
equipo modular de Extracción de Aceites Esenciales instalado en el Laboratorio de Transferencia de Masa de la Facultad de Ingeniería Quimica y Metalurgia de la UNSCH.
1.2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Una de las actividades posibles de explotar en nuestra Región es crear una pequeña industria eficiente de aceite esencial, la cual se destinaría a la exportación. En la actualidad se viene extrayendo el aceite esencial de molle casi en forma empírica dejando de lado la comprensión de los fenómenos controlantes y la optimización de variables de operación que permitan obtener un alto rendimiento, calidad en los productos y ahorro de energía.
1.2.3 DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
Este proyecto de tesis de determinación de parámetros óptimos para la destilación por arrastre con vapor de agua se realizará con semillas de molle provenientes de la Provincia de Huanta y los resultados obtenidos serán a escala de planta piloto en el equipo modular de extracción de aceites esenciales de la Facultad de Ingeniería Química, bajo condiciones ambientales del departamento de Ayacucho.
1.2.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Con la ejecución del proyecto de tesis se responderá las siguientes preguntas de investigación:
Principal
- ¿Cuáles son los parámetros de operación del equipo modular de extracción de aceites esenciales de la Facultad de Ingeniería Química y Metalurgia de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga, en la extracción de aceite esencial a partir de las semillas de molle?
Secundario
- ¿Cuál es el efecto de acondicionamiento de materia prima, flujo de vapor inyectado, grado de molturación (porosidad) y altura de carga del lecho sobre el rendimiento en la extracción de aceite esencial de molle por destilación por arrastre con vapor de agua a partir de sus semillas?
- ¿Cuál es el tiempo óptimo de operación del equipo?
- ¿Cuál es la energía requerida para la operación del equipo?
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar los parámetros de operación para la destilación por arrastre con vapor de agua del aceite esencial de Molle (Schinus molle Linneo) en el equipo modular de extracción de aceites esenciales instalado en el Laboratorio de Transferencia de Masa de la FIQM- UNSCH.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Estudiar el efecto de acondicionamiento de materia prima, flujo de vapor, grado de molturación (porosidad) y altura de carga sobre el rendimiento de extracción de aceite esencial de molle a partir de su semilla en el equipo modular.
- Determinar el tiempo óptimo de operación del equipo en extracción de aceite esencial de molle.
Determinar la energía requerida para la operación del equipo.
- Determinar el rendimiento de la extracción de aceite esencial de molle.
1.4 IMPORTANCIA
Las razones del desarrollo de esta tesis se pueden dividir por su importancia teórica y práctica.
1.4.1 IMPORTANCIA TEÓRICA
Proporcionar una fuente de información confiable de carácter estrictamente técnico de la tecnología de extracción de aceite esencial de la semilla de molle por destilación por arrastre con vapor de agua.
1.4.2 IMPORTANCIA PRÁCTICA
Este estudio permitirá conocer el control operacional de destilación por arrastre con vapor de agua y determinar el efecto de las variables operacionales en el rendimiento, para así, mejorar la eficiencia en la producción y disminuir el consumo energético en la extracción de aceite esencial del molle a partir de su semilla.
1.5 JUSTIFICACIONES
1.5.1 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
Generar tecnología que permita el aprovechamiento y valorización del molle. Esta tecnología permitirá obtener aceite esencial de molle, que tiene demanda en el mercado nacional e internacional por industrias especializadas en la elaboración de diversos productos finales que utilizan como materia prima el aceite esencial de molle.
1.5.2 JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA
Permitirá obtener los parámetros de operación de extracción de aceite esencial de molle, los cuales se pretende dejar como fuente de información para la Empresas y Microempresas que deseen incursionar a nivel industrial en este campo.
1.5.3 JUSTIFICACIÓN SOCIAL
f
CAPÍTULO II
FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 ESTUDIO DE MOLLE
2.1.1 ORIGEN Y DISTRIBUCIÓN 1
Schinus molle Linneo vulgarmente conocido como "molle" , "aguaribay" o
"gualeguay" es una especie americana nativa de Sudamérica, principalmente Perú, perteneciente a la Familia Anacardiácea (CABRERA et al., 1965), naturalizada en
países tropicales y subtropicales y representada en Sudamérica, África y Malasia. Unos pocos géneros son nativos de Norteamérica templada y Eurasia (HEYWOOD, 1993).
El molle se encuentra en altitudes de hasta 3 600 msmn y su rango de distribución en América del Sur abarca: Ecuador, Paraguay, Perú, sur de Brasil, Chile, Uruguay y Argentina.
2
2.1.2 DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL MOLLE 2
2.1.2.1
Forma
Árbol perennifolio de 4 m a 8 m (hasta 15m) de altura, con un diámetro a la altura del pecho de 25 cm a 35 cm.
Figura 2.1 Forma perennifolio del árbol de molle Fuente: www.chileflora.com
2.1.2.2
Copa 1 Hojas
Copa redondeada y abierta, proporcionando sombra moderada. Hojas compuestas, alternas de 15 cm a 30 cm de largo, colgantes, con savia lechosa; imparipinnadas de 15 a 41 folíolos, generalmente apareados de 0.85 cm a 5 cm de largo, estrechamente lanceolados, color verde amarillento.
Figura 2.2 Forma lanceolados de la hoja de molle Fuente: www.chileflora.com
2.1.2.3
Flores
Panículas axilares en las hojas terminales de 10 cm a 15 cm de largo, flores muy pequeñas y numerosas, de color amarillento, miden 6 mm transversalmente.
Figura 2.3 Flores de Schinus molle.
Fuente: Anacahuita (Schinus molle): la indígena más popular- Ricardo Carrere
Colección del Grupo Guayubira sobre especies indígenas· N!! 15 URUGUAY- 2009
Figura 2.4 Copa de árbol de Schinus molle en floración
Fuente: Anacahuita (Schinus molle): la indígena más popular- Ricardo Carrere
Colección del Grupo Guayubira sobre especies indígenas· N!! 15 URUGUAY· 2009
2.1.2.4
Frutos
Figura Z.S Árbol de molle lleno de frutos y drupas en racimo Colgante.
Fuente: www.chileflora.com
2.1.2.5
Semillas
Las semillas poseen un embrión bien diferenciado que llena toda la cavidad; la testa y el endospermo son delgados, el mesocarpo forma parte de la unidad de dispersión.
Figura 2.6 A la izquierda, semillas de molle y a la derecha semillas de Schinus molle germinadas.
Fuente: Anacahuita (Schinus molle): la indígena más popular- Ricardo Carrere
2.1.3 CLASIFICACIÓN BOTÁNICA
La clasificación botánica del molle se rige de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 2.1 Clasificación botánica del molle3
Reino Plantae
División Magnoliophyta
Clase Magnoliopsida
Orden Sapindales
Familia Anacardiaceae
Género Schinus
Especie Molle
Nombre binomial Schinus molle
Fuente: Pretell, J. 1985. Apuntes sobre algunas especies forestales nativas de la sierra peruana. Lima. Proyecto FAO/Holanda/INFOR. Pág-65.
2.1.4 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CORTEZA, HOJAS Y FRUTO DEL MOLLE
La corteza del pimiento presenta una importante cantidad de extraíbles qUímicos: taninos, ole~:mesinas, ácido linoleico y lignocérico.
Las hojas también presentan taninos, flavonoides libres y combinados,
carbohidratos, saponinas, ácido linoleico, lignocérico; además de triterpenos y
glicósidos. Las hojas se utilizan para el teñido de las lanas, proporcionando un tinte amarillo.
Las semillas contienen ácido linoleico. El aceite extraído de las semillas presenta actividad fungotóxica y puede ser efectiva como fungicida natural. Se ha comprobado que la variación estacional afecta la concentración de los aceites en la semilla.
Los frutos y semillas presentan además vanos aceites esenciales: rmrceno, felandreno, limoneno y cadinol, los que pueden extraerse fácilmente por arrastre de vapor de agua.
3
El aceite esencial obtenido de frutos es de color ámbar-amarillo y olor picante y el aceite esencial de las hojas es amarillo límpido y olor agradable~ contiene terpenol, felandreno, aldehídos y cetonas, etc.
De acuerdo a los párrafos anteriores la corteza, hojas y especialmente los frutos del molle tienen un gran potencial como materia prima industrial en la elaboración de perfumes, jabones, repelentes domésticos, insecticidas agrícolas y elaboración de productos de medicina natural para el tratamiento de cólera, reumatismo, la
tuberculosis, bronquitis y hemorragias.
2.2
ACEITE ESENCIAL2.2.1 DEFINICIÓN DE ACEITE ESENCIAL
Son llamados así los constituyentes odoríferos o "esencias" de una planta. El término aceite, probablemente, se origina del hecho que las fracciones líquidas volátiles (sustancias responsables del aroma de las planta) existen en la glándulas o entre las células en forma líquida, el cual al igual que los aceites grasos son inmiscibles con el agua y debido a que se evaporan por exposición al aire a temperatura ambiente, se denominan: aceites volátiles, aceites etéreos, aceites esenciales o esencias.
Figura 2.7 Prototipo de presentación de aceite esencial de molle.
Los aceites esenciales son líquidos volátiles, en su mayoría insolubles en agua, pero fácilmente solubles en alcohol, éter y aceites vegetales y minerales. Por lo general no son oleosos al tacto. En su gran mayoría son de olor agradable, aunque existen algunos de olor relativamente desagradable como por ejemplo los del ajo
y
la cebolla, los cuales contienen compuestos azufrados.Desde el punto de vista químico los aceites esenciales son una mezcla compleja de terpenoides volátiles (monoterpenos, sesquiterpenos, diterpenos, etc.) que son producidos por el. metabolismo secundario de la planta, o la regla del isopreno. En un principio, aceites esenciales estaban definidos como la porción volátil de la planta obtenida por la destilación del vapor, pero los aceites volátiles también puede ser producido por fraccionamiento de la oleorresina obtenido por la extracción con solvente (a presiones bajo o altas). El término aceite esencial se aplica también a las sustancias sintéticas similares preparadas a partir del alquitrán de hulla, y a las sustancias semisintéticas preparadas a partir de los aceites naturales esenciales.
Los principales compuestos que constituyen a un aceite esencial pertenecen a las siguientes clases químicas:
Compuestos alifáticos, hidrocarburos y sus análogos oxigenados de bajo peso molecular ( alcanos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres y ácidos).
Monoterpenos, C1oH16
Monoterpenoides, C10 H 180, C10H160 , C10H140 . Sesquiterpenos, C1sH24
Sesquiterpenoides, C15H260, C1sH240 , C1sH220. F enilpropanos
Tabla 2.2
Terpenoides encontrado en alimentos Terpenoide
Terpeno ( C10H16)
Terpeno oxigenado ( C10H1202 ) Sesquiterpeno ( C15 H24)
Sesquiterpeno oxigenado ( C15 H2 60) Diterpeno ( C20 H2s03 )
Triterpeno ( C3oHso )
Tretaterpeno ( C40Hs6)
Fuente: Extracting Bioctive Compounds for Food Products
Ejemplo Limoneno Eugenol a-Hu meleno Nerolidol Cafestol Escualeno Licopeno
Maria Angela A. Meireles- CRC Press- pág: 03- U.S.A- 2009
Alimento Naranja Clavo de olor Pimienta negra Jengibre Café
Aceite de tiburón Tomate
2.2.2 DISTRIBUCIÓN Y ESTADO NATURAL DE ACEITES ESENCIALES
Los aceites se fonnan en las partes verdes (con clorofila) del vegetal y al crecer la planta son transportadas a otros tejidos, en concreto a los brotes en flor. Se desconoce la función exacta de un aceite esencial en un vegetal; puede ser para atraer los insectos para la polinización, o para repeler a los insectos nocivos, o puede ser simplemente un producto metabólico intennedio.
Los aceites esenciales se encuentran ampliamente distribuidos en unas 60 familias de plantas que incluyen las Compuestas, Labiadas, Lauráceas, Mirtáceas, Pináceas, Rosáceas, Rutáceas, Umbelíferas, etc. Se les puede encontrar en diferentes partes de la planta: en las hojas (ajenjo, molle, albahaca, buchú, cedrón, eucalipto, hierbabuena, limoncillo, mejorana, menta, pachulí, quenopodio, romero, salvia, toronjil, etc.), en las raíces (angélica, ásaro, azafrán, cálamo, cúrcuma, galanga, jengibre, sándalo, sasafrás, valeriana, vetiver, etc.), en el pericarpio del fruto (limón, mandarina, naranja, etc.), en las semillas (anís, cardamomo, eneldo, hinojo, comino, molle, etc.), en el tallo (canela, caparrapí, etc.), en las flores (árnica, lavanda, manzanilla, tomillo, clavo de olor, rosa, etc.) y en los frutos (alcaravea, cilantro, laurel, nuez moscada, perejil, pimienta, molle, etc.). 4
4 González P., D. J.; "Utilización Terapeútica de Nuestras Plantas Medicinales", Universidad de La Salle, Bogotá, 1984, Capítulo VI.
Hay que especificar que en la menta el aceite esencial puede estar ubicado en los pelos glandulares de las ramas y hojas; en clavo de olor, en el brote o yema. Algunas plantas tienen aceite esencial que difiere en composición a través de la planta; la canela es un ejemplo, el aceite esencial obtenido de las hojas contiene principalmente eugenol, la corteza principalmente cinamaldehído y la raíz el alcanfor.
Rosa Mimosa Romero Lavanda
Menta Hierba Iuisa
Albahaca
Jengibre Cúrcuma Cálamo
Patchouli Geranio Eucalipto
Bergamota Naranja
liman
Canela Cinnamon
Hinojo Anís Molle
Figura 2.8 Órganos de la planta que contienen aceites esenciales.
Pino Santal
Bálsamo de Perú Benjuí
Valeriana Sasafrás
Fuente: Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants- United Nations Industrial Development Organization and the lnternational Centre for Science and High Technology, 2008- pág.38
Los monoterpenoides se encuentran principalmente en plantas de los órdenes Ranunculales, Violales y Primulales, mientras que son escasos en Rutales, Comales, Lamiales y Asterales. Por el contrario, los sesquiterpenoides abundan en Magnoliales, Rutales, Comales y Asterales. Aunque en los aceites esenciales tanto los monoterpenos, los sesquiterpenos y los fenilpropanos se les encuentran en forma libre, más recientemente se han investigado que están ligados a carbohidratos, ya que se considera que son los precursores inmediatos del aceite como tal. 5
2.2.3 FUENTES ESPECÍFICAS DE ACEITES ESENCIALES
Los órganos de la planta que contienen los aceites esenciales naturales se ilustra en la figura 2.9, los aceites esenciales se encuentran generalmente en una o más partes de la planta como flores, hojas, tallos, frutos, raíces tal como lo mencionamos en el punto anterior. En este punto se detalla las estructuras específicas de la planta que producen y almacenan aceites esenciales.
Dependiendo de la familia de la planta, los aceites esenciales pueden producirse dentro estructura especifica como pelos glandulares (Labiatae, Verbenaceace, Geraniaceae ), tubos celulares parenquimal modificados (Piperaceae ), canales resiníferos (las coníferas), tubos de aceite llamados vida (Umbelliferae) , cavidad lisigeno (Rutaceae ), conductos esquizógenas (Myrtaceae, Graminae, Compositae) o canales gomosos (Cistacae, Burseraceae ). Cuando se toca una hoja del geranio, emite un olor porque las glándulas de aceite son frágiles. De modo semejante, la aplicación de presión leve en una hoja de menta penetrará la glándula de almacenamiento de aceite esencial, liberándola. En el contraste, las agujas de pino y
las hojas del eucalipto no sueltan sus aceites esenciales hasta que la epidermis de la hoja esté quebrada. Por lo tanto, los tipos de estructuras en las cuales el aceite está almacenado difieren dependiendo del tipo y la familia específica de la planta.
Desafortunadamente no se conoce lo suficiente acerca de las estructuras específicas donde están los aceites esenciales para clasificarlos cuidadosamente en categorías. Del punto de vista práctico pueden ser clasificados en categorías en aceites superficiales y subcutáneos. Basado en la información actual disponible, puede desprenderse que los aceites del Labiatae, Verbenaceae y de las familias Geraniaceae son los únicos aceites superficiales conocidos; consecuentemente, los demás se consideran aceites subcutáneos.
-GERANIACEAE VERBENACEAE
•
PELOS GLANDULARES
PIPERACEAE
t
CELULAS PARENQUIMAL MODIFICADOS
CONÍFERA
t
CANALES RESINOSOS
'
r---~~
•
ESTRUCTURA DEFUENTES CISTACAE CANALES ESPECiFICAS DE ACEITES BURSERACEAE GOMOSOS
ESENCIALES
,
•
1
CAVIDADES
ESQUIZÓGENAS
UMBELIFERA
1 GERANIACEAE MIRTACEAE RUTACEAE
Figura 2.9 Tejidos celulares por familia específica de la planta, responsables de producir y almacenar aceites esenciales.
Fuente: Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants - United Nations Industrial Development Organization and the lnternational Centre for Science and High Technology, 2008- pág.38
2.2.4 CONSTITUYENTES DE ACEITE ESENCIAL
Los componentes principales de aceites esenciales se muestran en la Figura 2.1 O, de los cuales es evidente que la mayoría de aceites esenciales consten de hidrocarburos alicíclicos y aromáticos, ésteres, terpenos, fenoles, aldehídos, ácidos, alcoholes, cetonas, y ésteres. Entre estos, los compuestos oxigenados (los alcoholes, los ésteres, éteres, aldehídos, cetonas, fenoles) son la fuente principal de olor. Son más estables porque evitan las influencias de oxidación y resinificación que otros componentes. Por otra parte, los constituyentes no saturados como monoterpenos (Cw) y sesquiterpenos (C1s) tienen la tendencia oxidar o resinificarse en presencia de aire y la luz. Estos compuestos no saturados más frecuentes derivan biológicamente del ácido mevalónico. 6
6. Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants
'
El conocimiento de componentes individuales y sus características fisicas, como punto de ebullición, estabilidad térmica y la relación de temperatura-presión del vapor, es de vital importancia en el desarrollo de tecnología de aceites esenciales.
CINAMALDEHIDO CITRONELA
MENTOL LINALOL
BENZOICO MIRISTICO
LIMONENO
~
ACIIDOS
FELANDRENO <E- TERPENOS PINENO
¡¿' HIDROCARBUROS CIMENO
MIRCENO
t
t
AL.DEHIDOS ALCOHOLES
CONSTITUYENTES DE ACEITE ESENCIAL
FENOLES
~
EUGENOL TIMOL
ETERFENOL
~
ANETOL SAFROL
Figura 2.10 Diversos grupos químicos presentes en aceites esenciales
71
ESTERES
ACETATO BENZOATO
CETONAS --7 CANFOR M ENTONA
O>QDOS
~ CINEOL
Fuente: Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants- United Nations Industrial Development Organization and the lnternational Centre for Science and High Technology, 2008-pág.38
2.2.5 PROPIEDADES FISICOQUÍMICOS DE LOS ACEITES ESENCIALES
Los aceites esenciales son líquidos volátiles a temperatura ambiente, muy raramente tienen color y su densidad es inferior a la del agua (la esencia de sasafrás o clavo de olor constituyen excepciones). Casi siempre dotadas de poder rotatorio, tienen un índice de refracción elevado. Son solubles en alcoholes y en disolventes orgánicos habituales, como éter o cloroformo, y alcohol de alta gradación, son liposolubles y muy poco soluble en agua, son arrastrables por el vapor de agua.
cinamaldehído) o más de 30 compuestos como en la de jazmín o en la de manzanilla.
La composición de una esencia puede cambiar con la época de la recolección, el lugar geográfico o pequeños cambios genéticos. En gimnospermas y angiospermas es donde aparecen las principales especies que contienen aceites esenciales, distribuyéndose dentro de unas 60 familias. 7
2.2.6 PRUEBAS FÍSICO-QUÍMICAS PARA CARACTERIZACIÓN DE ACEITES ESENCIALES
Las características de un aceite esencial pueden ser dadas en forma general mediante valores de índice de refracción, gravedad específica, rotación específica, rango de temperatura de ebullición, punto de cristalización o congelación, índice de acidez, índice de éster.
Las definiciones y fundamentos de algunas de estas técnicas de determinación se indican a continuación:
Índice de acidez del aceite esencial: es el número de miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar los ácidos libres contenidos en un gramo de aceite esencial.
Índice de éster de un aceite esencial: es el número de miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar los ácidos liberados por hidrolisis de los ésteres contenidos en un gramo de aceite esencial.
Determinación del contenido de fenoles: basada en la transformación de los fenolatos alcalinos y la posterior medición de la fracción de aceite esencial no transformado.
)
- Determinación de compuestos carbonnicos: basada en la fonnación de oxima, y detenninada por titulación de HClliberado de la reacción entre el compuesto carbonílico y el clorhidrato de hidroxilamina.
2.3 ACEITE ESENCIAl DE MOLLE
El aceite esencial de molle consiste en mezclas de productos químicos que a menudo son muy complejas. En su mayoría están constituidos por
triterpenos,
sesquiterpenos
ymonoterpenos
que son hidrocarburos cuya fónnula es C12 HI6. Los terpenos más comunes son ellimoneno y el pineno. Su composición exacta se puede obtener mediante una cromatografía de gas. Es importante conocer ésta a efectos de poder fijar precio al producto, ya que ésta varía según su composición química.Los mayores consumidores de aceite esencial de molle son las industrias de perfumería y cosmética. En pruebas
in
Vitro el aceite esencial de molle ha demostrado ser un eficaz medicamento antibacteriano y tener una actividad antimicrobiana contra numerosas bacterias y génnenes patógenos. Por lo que genera grandes expectativas de desarrollo de nuevos productos antibacterianos a base de aceite esencial de molle.2.3.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE
El análisis fitoquímico del molle revela que la planta de molle contiene taninos, alcaloides, flavonoides, saponinas, esteroides, esteroles, terpenos, gomas, resinas, y aceites esenciales. El aceite esencial se presenta en las hojas, la corteza y los frutos, es una fuente rica de triterpenes, sesquiterpenes y monoterpenes, muchas de las actividades biológicas son atribuidas a los aceites esenciales encontrados en la planta.
Los frutos pueden contener hasta el 5.00 % de aceite esencial y las hojas pueden contener hasta 2.00 % de aceite esencial. Según FIGMA Y S.R.L 8 el rendimiento a partir de semillas secas es de 5.00%- 7.00 %, siendo el componente principal el {3-felandreno. Algunas fuentes bibliográficas revelan que el aceite esencial de molle está constituido por los compuestos químicos mostrados más abajo.
Tabla 2.3 ·Composición del Aceite Esencial de Molle
Componentes a-pineno Camfeno Sabineno
~-pineno ~-mirceno
a-Felandreno P-cimeno limoneno
~-felandreno
Octanoato de metilo
~-elemene
a-gurjuneno
~-cariofileno
a-humuleno bicyclogermacreno
P-cadineno
Cantidad
11.9%
0.24% 0.67% 13.53% 30.12% 26.42% 1.24% 9.85% 5.67% 0.43% 0.16% 0.28% 0.46% 0.12% 0.38% 0.17%
Fuente: "Extracción y caracterización del aceite esencial de Molle (Schinus molle L)"
"EXTRACTION AND CHARACTERIZATION OF THE ESSENTIAL OIL OF MOLLE (Schinus molle L.)" -Shepanie K. Llanos Arapa- Universidad Nacional Jorge Basadre G. Tacna- Perú
2.3.2 APLICACIONES POTENCIALES DE ACEITE ESENCIAL DE MOLLE
Los aceites esenciales son productos naturales aplicados en diferentes industrias: Industria cosmética y farmacéutica: perfumes, principios activos, etc.
Industria de productos de limpieza: fragancias para jabones, detergentes, desinfectantes, productos de uso hospitalario, etc.
Industria de plaguicidas: agentes pulverizantes y repelentes de insectos, etc.
En los últimos años, la aromaterapia ha tenido un gran crecimiento y aceptación en el mercado mundial. La comercialización de los aceites esenciales puros, como ingredientes de los productos aromaterápicos, ha creado una mayor demanda y ha motivado la búsqueda de nuevos aromas, más exóticos y con propiedades seudo-farmacológicas. Otras nuevas aplicaciones surgidas últimamente y con un gran potencial futuro son aceites esenciales para la formulación de biocidas para uso veterinario o agrícola.
2.4 MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE ACEITES ESENCIALES
Los principales métodos extractivos empleados a escala industrial para los aceites esenciales más comunes, se basan en el arrastre del aceite esencial contenido en las plantas con vapor de agua. Existen otros métodos, que si bien en lo referente a la calidad del producto son excelentes, sus costos de inversión y operativos son elevados y no se justifica su aplicación para la gran mayoría de los aceites esenciales.
Los métodos alternativos son: expresión, extracción con solventes volátiles, extracción líquido - sólido asistida por microondas (MWE), enfleurage y extracción con fluidos supercríticos. El lector que quiera profundizar sobre detalles de métodos alternativos refiérase al texto de "Extraction Technologies for Medicinal and Aromatic Plants" - United Nations Industrial Development Organization and the lntemational Centre for Science and High Technology, U.S.A- 2008.
2.4.1 DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA
cuando uno de los componentes es agua, al trabajar a presión atmosférica se puede separar un componente de mayor punto de ebullición que del agua a una temperatura menor de 100 °C. Debido a lo anterior, con esta técnica se pueden separar sustancias inmiscibles en agua y que se descomponen a su temperatura de ebullición o cerca de ella, por lo que se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales naturales que se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas (té limón. menta, canela, cáscaras de naranja o limón, anís, pimienta, etc).
Una descripción general de esta técnica consiste en empacar el material aromático de la planta en el tanque del destilador y una cantidad suficiente de agua es añadida y llevada hasta su punto de ebullición; alternativamente el vapor de la caldera es inyectado en la carga del destilador. Debido a la influencia de agua caliente y vapor, el aceite esencial es liberado de las glándulas de aceite en el tejido fmo de la planta. La mezcla del vapor de agua-aceite es arrastrada hacia el condensador donde es condensada por el enfriamiento indirecto con agua de refrigeración. Del condensador el destilado desemboca en un separador donde el aceite se separa automáticamente del agua del destilado formando dos fases de líquidos inmiscibles, la fase que se encuentra en la parte superior es el aceite esencial y en la parte inferior es agua con algunos componentes hidrosolubles.
2.4.2 DESVENTAJAS Y VENTAJAS DE DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA FRENTE A
OTRAS TÉCNICAS DE EXTRACCIÓN
2.4.2.1
Ventajas
- Productos libres de solventes orgánicos
- Alta Capacidad de Procesamiento
En destilación con vapor se puede trabajar con cargas altas de materia prima (TN/día).
Bajos Costos de Inversión
El equipo de destilación con vapor de agua es barato, flexible y fácil de construir. Hay una variedad grande de materiales para su construcción porque el equipo de destilación con vapor opera a condiciones ambientales, no es necesario construir recipientes de presión.
- Los conocimientos técnico Disponibles
La destilación con vapor es una tecnología muy conocida. El procedimiento operativo es lo mismo para destilar matrices herbáceos o líquidos. No es necesario pedir licencias o permiso o comprar la tecnología para destilar una matriz herbácea.
2.4.2.2
Desventajas
Degradación Térmica de Productos
Si no se opera el equipo adecuadamente la temperatura interna del lecho puede superar los 98
oc
provocando que los aceites esenciales sufran degradación térmica dando lugar a la formación de olígomeros y compuestos químicos complicados que disminuyen la durabilidad, calidad y cambio en la percepción organoléptica. Por ejemplo en la técnica de hidrodestilación es común que ocurra la hidrólisis de aceites esenciales porque el material herbáceo está inmerso en agua a diferencia de otras técnicas como destilación con vapor húmedo y seco, el material a extraer está en contacto con vapor de agua. Por esta razón la hidrodestilación es muy pocas veces usada- Alto consumo de energía
Como la materia prima debe ser calentado a la temperatura de ebullición, el consumo de energía es alto. La mayor contribución para el consumo de energía es causada por el calentamiento de la masa del equipo. De hecho, la carga real de calor es muy grande cuando es comparado para carga de calor ideal (el aislamiento, reciclo de agua condensado, vacío), y muchos modificaciones mecánicos y operacionales se ha propuesto para reducir el consumo global de energía (la vaporización de aceite esencial).
2.5 PROCESOS FISICOQUÍMICOS EN LA DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA .
La destilación con vapor de agua de las plantas aromáticas implica los siguientes principales procesos :fisicoquímicos:
i) Hidrodifusión ii) Hidrólisis
iii) Descomposición por calor
2.5.1 HIDRODIFUSIÓN
La difusión de aceites esenciales y agua caliente a través de membranas de la planta es conocida como hidrodifusión. En la destilación con vapor de agua, el vapor realmente no penetra en las membranas de células seca. Por consiguiente, el material seco de las plantas puede ser agotado con vapor seco sólo cuando todo el aceite volátil ha sido liberado de las células oleíferas por la primera molienda completa del material de la planta.
membranas hinchadas por osmósis y finalmente alcanza la superficie exterior donde el aceite es vaporizado por vapor circulante.
Otro aspecto de hidrodifusión es que la velocidad de vaporización de aceite no es influenciada por la volatilidad de los componentes de aceite, pero si por su grado de solubilidad en agua. Por consiguiente, los componentes de aceite esencial en el tejido de la planta de puntos de ebullición alto pero más solubles en agua se evaporarán antes que los componentes de bajo punto de ebullición pero menos solubles en agua. Como la velocidad de hidrodifusión es lenta, la destilación de material sin moler tomará más tiempo que el material molino.
2.5.2 HIDRÓLISIS
La hidrólisis en el contexto actual está definida como una reacción química entre agua y ciertos componentes de aceites esenciales. Los ésteres son componentes de aceites esenciales y en presencia de agua, especialmente a altas temperaturas, tienden a reaccionar con agua para formar ácidos y alcoholes. Sin embargo, las reacciones no son completas en ninguna dirección y la relación entre las concentraciones molar de diversos componentes en el equilibrio está escrita como:
K
=
(alcohol)x(acid) (2 l)(ester)x(water) · · · • · · · ·
Donde la K es la constante de equilibrio. Por consiguiente, si la cantidad de agua es grande, entonces las cantidades de alcohol y ácido también serán grandes, resultando en una disminución del rendimiento de aceite esencial. Además, puesto que ésta es una reacción dependiente en tiempo, la proporción a la cual la hidrólisis procede depende del tiempo de contacto entre aceite y agua. Éste es una de las desventajas de destilación con agua (hidrodestilación).
2.5.3 DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA
Casi todos los componentes de aceites esenciales son inestables a altas temperaturas. Para obtener una mejor calidad de aceite esencial, la destilación debe ser realizada a bajas temperaturas. La temperatura en la destilación con vapor seco es determinada enteramente por la presión de operación, mientras que en la destilación con agua (hidrodestilación) y en la destilación con vapor húmedo (agua-vapor) la presión operativa es usualmente la presión atmosférica.
Los tres efectos previamente descritos, hidrodifusión, la hidrólisis y la descomposición térmica, ocurren simultáneamente y interactúan urio con otro. La velocidad de difusión usualmente aumenta con temperaturas como hace la solubilidad de aceites esenciales en agua. Lo mismo es cierto para la velocidad y la magnitud de hidrólisis. Sin embargo, es posible obtener mejor rendimiento y calidad de aceites: (1) manteniendo la temperatura tan bajo como sea posible, (2) usando poco agua como sea posible, en caso de la destilación vapor seco, y (3) molienda completa del material aromático y empacando lo más uniformemente el lecho antes de la destilación.
2.6 TIPOS DE DESTILACIÓN CON VAPOR DE AGUA
La destilación con vapor es una modificación del proceso de destilación usado para recuperar compuestos de punto de ebullición altos de una matriz inerte y compleja (sólido o líquido), usando vapor de agua (saturado o sobrecalentado) como un agente de separación y energía. Hay tres variantes de este proceso 1) hidrodestilación 2) destilación con vapor directo y 3) destilación por arrastre con vapor seco.
A = Destilacilin con vapor seco B = Destilación con vapor directo C
=
Hidrodestilación.
.
•()a---~
Figura 2.11 Diagrama de flujo generalizado de los diferentes tipos de destilación con vapor de agua.
Fuente: Extracting Bioctive Compounds for Food Products, Maria Angela A. Meireles- U.S.A pág: 12
2.6.1 HIDRODESTILACIÓN
En este método, el material está completamente sumergido en agua, el cual es hervido aplicando calor por fuego directo, camisa de vapor, camisa de vapor cerrada, serpentín de vapor cerrado o serpentín de vapor abierto. La característica principal de este proceso es que hay contacto directo entre agua hirviendo y material de la planta aromática a extraer.
Cuando el destilador es calentado por fuego directo, se deben tomar las precauciones adecuadas para prevenir el sobrecalentamiento de la carga. Cuando se usa una camisa de vapor o una espiral cerrada del vapor hay menos peligro de recalentamiento, con serpentines de vapor abiertos se evita el sobrecalentamiento: Pero con vapor abierto el cuidado debe ser tomado para prevenir acumulación de agua condensada dentro del tanque del destilador. Por consiguiente, el tanque del destilador debería ser adecuadamente aislado.
El material a extraer dentro del destilador debe ser agitado conforme el agua hierve, puesto que las aglomeraciones de diferente densidad del material se acomodan en el fondo, se degradan térmicamente. Ciertos materiales de la planta como corteza de
canela que es rico en mucílago (pegamento), debe ser molidos a fm de que la carga pueda dispersarse fácilmente en el agua; como la temperatura del agua aumenta, el mucílago será percolado de la canela molida. Esto incrementa grandemente la viscosidad de la mezcla agua-carga, por consiguiente permitiéndola quemarse. Consecuentemente, antes de realizar cualquier tipo de destilación, se debería realizar una destilación con agua en pequeña escala en equipos de vidrio para observar cualquier cambio que tenga lugar durante el proceso de destilación. De esta prueba de laboratorio, puede ser determinado el rendimiento de aceite de un peso conocido del material aromático. El aparato de laboratorio recomendado para destilaciones de prueba es el sistema Clevenger.
Durante la hidrodestilación, todas las partes de la carga de la planta deben .. mantenerse en movimiento por el agua hirviendo; esto es posible cuando el material de destilación es cargado sin excesivas tensiones y permanece suelto en el agua hirviendo. Por esta razón sólo, la hidrodestilación posee una ventaja distinta, o sea que permite el procesamiento de material finamente molido o dividido por el contacto con vapor de la caldera, de otra manera formaría aglomeraciones a través del cual el vapor no puede penetrar. Otras ventajas prácticas de la hidrodestilación son que los equipos de destilación son baratos, fáciles para construir y adecuado para la operación en el campo. Estos tipos de destilador son ampliamente usados como equipo portátil en muchos países.
Las desventajas de la hidrodestilación.
Los componentes de aceite como ésteres son sensibles a la hidrólisis mientras los otros como hidrocarburos acíclicos del monoterpenos y aldehídos son susceptibles a la polimerización (a medida que el pH de agua desciende durante la destilación, las reacciones hidrolíticas son facilitadas).
7
Como la hidrodestilación tiende a ser una operación pequeña (manejado por uno o dos personas), tarda mucho en acumular aceite esencial, de esta manera el aceite de buena calidad es a menudo mezclada con aceite esencial de mala calidad.
El proceso de la hidrodestilación es tratado como un arte por destiladores locales, quienes raramente tratan de optimizar el rendimiento y calidad de aceite.
La hidrodestilación es un proceso más lento que cualquier otro tipo de destilación con vapor de agua (destilación con vapor húmedo "directo" o destilación por arrastre con vapor seco).
2.6.2 DESTILACIÓN CON VAPOR HÚMEDO (AGUA-VAPOR)
En la destilación con vapor directo o vapor húmedo, el vapor puede ser generado ya sea en una caldera externa o dentro del destilador, aunque está separada del material de la planta aromática a procesar. Es ampliamente usado al igual que la hidrodestilación. Además, no ocasiona mucho gasto de capital que la hidrodestilación. También, el equipo usado es generalmente similar al que se usa en la hidrodestilación, pero el material de la planta es soportado por encima del agua hirviendo con una rejilla perforada.
por consiguiente se asegura que el agua que está siendo usado como la fuente del vapor nunca se acabe.
Se considera, hasta cierto punto que esto controlará la pérdida de componentes oxigenados disueltos en el agua del condensado porque se volvió a reusar el agua del condensado. Esto permitirá saturarse con componentes disueltos, después del cual se disolverá más en aceite esencial.
La cohobación es un procedimiento que sólo puede ser usado durante la hidrodestilación o destilación con vapor húmedo. La práctica de retomar el agua del destilado hacia el destilador después que el aceite ha sido separado son a fin de que pueda ser rehervido. El objetivo principal es minimizar las pérdidas de componentes oxigenados, particularmente los fenoles que se disuelven hasta cierto punto en el agua del destilado. Para la mayoría de aceites, este nivel de pérdida a través de la solución agua-aceite es menos de 0.2 %, considerando para aceites ricos en fenol la cantidad de aceite disuelto en el agua del destilado es 0.2%- 0.7%. Como el agua recirculado está siendo constantemente re-vaporizado, condensado y re-vaporizado otra vez, cualquier componente oxigenado disuelto promoverá la hidrólisis y la degradación de ellos mismos u otros componentes del aceite. Similarmente, si un componente oxigenado es constantemente llevado (recirculado) en contacto con una fuente directa de calor o a un lado del destilador, el cual es considerablemente más caliente que 100 °C, entonces las oportunidades de degradación se incrementan. Como resultado, la práctica de cohobación no es recomendada a menos que la temperatura a la cual los componentes oxigenados queden expuestos a no menos de 100
oc
en el destilado.de degradación térmica de material de la planta que están en contacto con las paredes del destilador.9
Como el vapor en el proceso de destilación con vapor húmedo es saturado, el inconveniente principal de este tipo de destilación hará que el material a extraer esté muy mojado. Esto retarda la destilación porque el vapor cedería parte de su calor para vaporizar la película fina de agua que cubre las partículas del material a extraer para llevarlo y dejarlo condensar en la parte alta del destilador. Una manera de impedir que el material de la planta en la parte inferior del lecho que descansa en la cuadrícula se inunde, es usar un deflector para impedir que el agua que hierve vigorosamente entre contacto directo con la planta aromática.
2.6.2.1
Ventajas de destilación con vapor húmedo sobre hidrodestilación
El rendimiento de aceite es superior.
Los componentes del aceite esencial son menos susceptibles a la hidrólisis y la polimerización (el control de condensados en el fondo del destilador disminuye la hidrólisis, mientras que la conductividad térmica de las paredes del destilador ocasiona la polimerización).
Si reflujo es controlado, entonces la pérdida de compuestos polares es minimizada.
La calidad de aceite producida por la destilación con vapor directo es más reproducible.
La destilación con vapor directo es más rápida que la hidrodestilación, es más eficiente energéticamente.
2.6.2.2
Las desventajas de destilación con vapor directo
Debido a la baja presión de vapor ascendente, los aceites que hierven en rango de punto de ebullición alto requieren una cantidad mayor de vapor para su vaporización, por tanto más tiempo de destilación.
9
El material de la planta se pone muy mojado, lo cual retarda la destilación porque el vapor tiene que revaporizar el agua hasta dejarlo condensarse en lo alto del destilador.
Exceso de temperatura de vapor puede degradar la calidad de aceite esencial.
2.6.3 LA DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR SECO {INYECCIÓN DE VAPOR)
La destilación con vapor seco es una operación unitaria de extracción de aceite esencial del material aromático con vapor generado fuera del destilador en un generador del vapor externo generalmente llamado "caldera". Como en la destilación con vapor húmedo, el material de la planta es soportado en una cuadrícula agujereada por encima de la entrada del vapor. Una ventaja real de generación del vapor externo es que la cantidad de vapor puede controlarse fácilmente. Como el vapor es generado en una caldera externa, el material de la planta no es calentado por encima de 100
oc,
consecuentemente, no debería experimentar degradación térmica. La destilación con vapor seco es el proceso más ampliamente aceptado para la producción de aceites esenciales a escala industrial.Un inconveniente obvio a tratar con destilación con vapor seco es el gasto muy alto de capital requerido para construir el equipo completo. En algunas situaciones, como el costo de producción a gran escala de aceite esencial es bajo (por ejemplo el romero, eucalipto, citronela), los precios de mercado mundial de los aceites esenciales son apenas lo suficientemente altos para justificar su producción por la destilación por arrastre con vapor seco sin amortizar el gasto capital requerido para la instalación de planta sobre un período de lO años o más.
2.6.3 .1
Las ventajas de destilación por arrastre con vapor seco
La cantidad de vapor puede controlarse fácilmente.
- No hay descomposición térmica de componentes de aceite.
2.6.3.2
Desventaja de destilación por arrastre con vapor seco
- Gasto muy grande de capital necesitado para establecer esta actividad que para las otras dos operaciones unitarias de destilación.
2.7 MÉTODO DE EXTRACCIÓN POR DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR SECO
2.7.1 PRINCIPIO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR SECO
Cuando se quiere separar o purificar por destilación una solución homogénea (líquidos miscibles) como en el caso de agua-etanol, esta solución ideal binaria obedece la ley de Raoult:
Ptotal
=
PA+
PB · · · ·... (2.2)(La presión de vapor total del sistema = presión parcial de vapor de A
+
presión parcial de vapor de B). Las presiones parciales de A y B son:(2.3)
(2.4)
Por lo tanto, la presión total del sistema es:
Ptotal
=
P~*
NA+
P~*
NB . . . (2.5)Donde
P
total es la presión total del sistema,Po
son las presiones de vapor de lossiguientes ecuaciones nos permiten calcular las concentraciones de A y B en el vapor:
PA
NA (vapor)
=
P-total (2.6)
PB
NB(vapor)
=
- P - ... (2.7) totalPero en nuestro caso se trata de una mezcla heterogénea de dos líquidos inmiscibles, donde la presión total del sistema es independiente de las concentraciones y sigue la
Ley de Dalton sobre las presiones parciales, que dice: cuando dos o más gases o vapores que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión como si estuviera sólo y la suma de las presiones de cada uno, es igual a la presión total del sistema. Su expresión matemática es la siguiente:
Ptotal
=
P~+
P;+ · · · +
P~ . · · · ·... (2.8)De la ley de Dalton se deduce que al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil.
Si uno de los líquidos es agua (destilación por arrastre con vapor de agua) y si se trabaja a la presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición que el agua a una temperatura inferior a 100 °C. Esta mezcla ebulle a una temperatura menor que la temperatura de ebullición de cualquiera de los "n"
ebullición o cerca de ella. La siguiente ecuación permitirá calcular la cantidad de agua requerida para destilar una cantidad de compuesto o sustancia deseada:
Bcompuesto _ P~ompuesto*Peso Molcompuesto
Bagua - P~gua*18 ... (2.9)
En general, esta técnica se utiliza cuando los compuestos cumplen con las condiciones de ser volátiles, inmiscibles en agua, tener presión de vapor baja y punto de ebullición alto.
2.7.2 MECANISMO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE ESENCIAL
En este punto se da una descripción general de los posibles fenómenos que ocurren en cada paso de la destilación por arrastre con vapor seco durante la extracción de aceites esenciales de la matriz inerte del vegetal. Esta descripción no es muy exacta debido a que es muy complejo generalizar para todas las matrices vegetales, ya que cada una tiene una estructura diferente unas de otras.
La recuperación de aceite de la planta aromática tiene lugar en cuatro etapas secuenciales: (1) por el incremento de la temperatura, la liberación del aceite esencial es promovido del interior de la planta hacia su superficie exterior; (2) El aceite esencial se vaporiza, tomando calor de vaporización del vapor; (3) las moléculas de aceite vaporizados en la superficie de la materia prima se difunden en la corriente del vapor en un proceso de transferencia de masa; y (4) las moléculas de aceite vaporizados llevadas por la corriente de vapor son condensadas y decantadas. Un esquema secuencial simplificado del proceso presentado es mostrado en figura 2.12, una descripción de estas cuatro etapas es detallada a continuación.
2.7.2.1
